中科院理化所饶伟团队AMR：液态金属氧化物的精准调控

近日，中国科学院理化技术研究所饶伟研究员团队的述评文章“Precise Regulation of Ga-Based Liquid Metal Oxidation” 在Accounts of Materials Research (AMR)期刊在线发表，总结了课题组近年来利用氧化调控策略精确控制镓基液态金属的结构、形貌及其物理化学特性的研究进展。

文章内容简介

室温液态金属(LM)定义为熔点低于或接近室温的金属或合金，在熔融状态下由正离子流体和自由电子气组成的混合物，可视为是一种非晶的无定形固体，表现出与其他固体金属和液体本质不同的流动性和金属性。近些年，镓作为代表性室温液态金属（熔点约为29.8°C），在能源热控、增材制造、柔性机器及生物医学等领域发挥了越来越重要的作用。这类新兴材料具有独特的物理化学性质，如优异的导热导电性、流动性、生物相容性、生物降解性、催化性能、等离子体效应，并且易于功能化，其多能性显示出巨大的应用潜力。通常，在氧气和水的作用下，镓基液态金属-周围环境界面形成的超薄氧化物层，作为天然屏障避免了液态金属的进一步氧化。电、化学、电化学、机械、超声波等刺激的引入，以及包括成分、温度和时间等反应条件的改变将促进氧化物的形成或去除。然而，氧化物的存在是一把双刃剑。在某些情况下，氧化物是实现液态金属功能化所必需的，例如颗粒形变、基底粘附、胞内摄取等。而有时会因为性能和稳定性的恶化而被认为是一种滋扰，例如，在流体应用（如传热介质、泵介质和微流控）中，氧化物易于粘附于系统内影响流动传热传质等过程。因此，探究液态金属氧化的形成和性质十分必要，将有助于深入理解其对镓基液态金属材料组成、结构和性质的影响。室温液态金属氧化精准调控的主要目的是有效改变液态金属材料的基础物理化学性质，甚至赋予独特而迷人的特性(包括独特的界面特征，表面张力、润湿性、机械强度、催化、吸附等特征)，从而满足特定的应用需求。

尽管科学技术进步已经显示出镓基液态金属材料的巨大进步和潜力，但它们的氧化调控仍处于起步阶段，值得进一步关注。在这篇Account中，我们对镓基液态金属的氧化调控策略进行了相对详尽的总结，介绍了近年来本团队在该领域贡献的代表性工作。首先，回顾了镓基液态金属氧化物的形成过程，基本特性及其对材料的性能影响。然后，根据典型的镓基液态金属材料将视野扩展到宏观、中观和微纳米尺度的氧化精确调控。最后展望了液态金属氧化调控策略目前面临的挑战和未来的发展前景。我们相信这篇Account将吸引更多的科学家聚焦镓基液态金属材料领域，挖掘其潜在应用。

TOC:镓基液态金属氧化物的精确调控不仅阐明了液态金属和其氧化物之间自然的平衡性，而且揭示了材料设计和合成的可协调性。

本文要点

文中依据不同尺度，将镓基液态金属(LM)材料分为LM-氧化物复合材料、LM-氧化物薄膜，和LM-氧化物微纳米颗粒，结合本团队的代表性研究，系统介绍了从宏观、介观到微纳米水平精确控制氧化物形成以制备具有鲜明结构、形貌和特性的镓基液态金属材料的调控策略（图1）。

图1.示意图：从产品、方法和目的角度对LM氧化物进行调控。(a)LM-氧化物复合材料。(b)LM-氧化物薄膜。(c)LM-氧化物微纳米颗粒。

01LM-氧化物复合材料

图2.合成LM-氧化物复合材料的氧化调控机制。(a)通过表面氧化物还原达到金属间润湿效果，相应机制(i-iv)；(b)通过在空气中搅拌使LM部分氧化以获得与其他材料间更好的的润湿性，相应机制(i-iv)；(c)通过调节反应条件增强氧化产生多孔轻质LM-氧化物复合材料，相应机制(i-iv)；(d)LM-氧化物复合材料的代表性形貌。

02LM氧化物薄膜

图3.LM-氧化物薄膜的氧化调控机制。(a)电解氧化调节LM表面形貌，及相应的着色机制(i-iii)。(b)阳极氧化调节LM氧化膜厚度，及相应的彩虹色机制(i)。(c)合金成分调节LM的氧化，H₂的产生机制(i-ii)。

03LM-氧化物微纳米颗粒

图4.LM-氧化物微纳米颗粒氧化调节的主要影响因素。(a)合成方法和条件。(b)溶剂。(c)温度。(d)表面或内部修饰。

液态金属氧化调控领域可能会出现的研究挑战和机会

目前，大多数关于镓基液态金属的研究都集中在整体性能上，而忽略了材料组成中微小但必不可少的氧化物所带来的影响，关于其氧化物的文献非常有限。第一个挑战是表征技术，而困难主要来自不同液态金属内结构和组成的复杂性，特别是对于微/纳米尺度、多组分和非平衡系统。另一个挑战是影响因素的多样性和复杂性，这为实现更精确、可控的氧化调控带来了困难。无论如何，我们相信镓基液态金属氧化过程的基本理解和合理调控策略之间的配合将激发新的研究灵感，挖掘更多潜在的应用。

扫码阅读饶伟研究员团队的精彩Account文章：

Precise Regulation of Ga-Based Liquid Metal Oxidation

Dawei Wang, Xiaohong Wang, and Wei Rao*

原文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/accountsmr.1c00173

作者团队简介

饶伟，中国科学院理化技术研究所研究员，博士生导师。长期从事液态金属、低温生物医学与微纳米技术等方面交叉科学问题研究。主持国家自然科学基金、滚球体育 部重点研发计划、北京市科委重大专项、军委滚球体育 委项目等十多项。目前担任中国科学院低温工程学重点实验室副主任，北京市制冷学会理事。

汪达伟，中国科学院理化技术研究所博士研究生，主要研究方向是液态金属微纳米生物材料。

汪晓红，中国科学院理化技术研究所博士研究生，主要研究方向为低温生物冷冻保存、液态金属材料。